20世紀(jì)60年代，纖維復(fù)合材料開始少量用于軍用飛機(jī)，而70年代開始在民用航空中使用，到了80年代，民用飛機(jī)制造商已將復(fù)合材料用于各種輔助機(jī)翼和尾翼結(jié)構(gòu)件，例如方向舵和機(jī)翼后緣板。但是，隨著世界上最大的客機(jī)-空中客車A380等最新一代客機(jī)的問世，這些材料已被廣泛應(yīng)用于主要的承載結(jié)構(gòu)中。A380的機(jī)翼使用復(fù)合材料，這使每位乘客的燃油消耗比同類飛機(jī)低17％。
復(fù)合材料（航空航天領(lǐng)域用主要是碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料）可以提供比金屬更好的強(qiáng)度/重量比，有時(shí)甚至高達(dá)20%。顯著的輕量化可使油耗和排放降低，同時(shí)由于塑料結(jié)構(gòu)中需要較少的鉚接接頭，因而提高了空氣動(dòng)力效率和降低制造成本。復(fù)合材料首次出現(xiàn)時(shí)，航空業(yè)自然就受到了這種好處的吸引，但最初是軍用飛機(jī)制造商抓住機(jī)會(huì)利用這些好處來提高其產(chǎn)品的速度和機(jī)動(dòng)性。
民用飛機(jī)制造商在其機(jī)身上采用復(fù)合材料技術(shù)的速度較慢，原因有兩個(gè)：嚴(yán)格的民用適航要求阻止了未經(jīng)驗(yàn)證的材料的應(yīng)用，并且在1980年代后期燃料價(jià)格持平，降低了新興客機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)提高燃料效率的需要。然而，現(xiàn)在，憑借工業(yè)領(lǐng)域中使用復(fù)合材料方面的豐富經(jīng)驗(yàn)，以及在歐洲范圍內(nèi)降低飛機(jī)排放量的背景下，充分發(fā)揮這項(xiàng)重要技術(shù)的潛力和價(jià)值是顯而易見的。
碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）是一種以環(huán)氧樹脂為基體采用碳纖維進(jìn)行增強(qiáng)的材料，由于碳纖維優(yōu)異強(qiáng)度而使CFRP具有很高的結(jié)構(gòu)性能。相比之下，航空級(jí)鋁合金的極限強(qiáng)度通常為450 MPa（MPa兆帕——應(yīng)力或壓力的單位，一兆帕約為大氣壓力的10倍），而碳纖維的極限強(qiáng)度為該值的5倍。此外，由于CFRP密度僅為鋁的60%，因此在機(jī)身應(yīng)用中減輕重量的潛力也是顯而易見的。
作為復(fù)合材料增強(qiáng)纖維，也可以采用玻璃纖維、芳綸纖維和硼纖維，但是對(duì)于主承重結(jié)構(gòu)，碳纖維在強(qiáng)度和成本上是最佳的組合。除了強(qiáng)度和重量之外，纖維復(fù)合材料實(shí)際上還可以抵抗“疲勞”。相對(duì)較小的金屬裂紋會(huì)持續(xù)增長，正是這種漸進(jìn)式裂紋現(xiàn)象導(dǎo)致了第一個(gè)德哈維蘭彗星設(shè)計(jì)在20世紀(jì)50年代噴氣機(jī)時(shí)代的消亡。然而，由于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)——它們是非均勻的——裂紋將無法擴(kuò)展。這意味著結(jié)構(gòu)工程師可以在假定承受更高應(yīng)力的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，而對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的長期耐久性的關(guān)注則較少。
在飛機(jī)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，CFRP通常以單向（UD）產(chǎn)品為主：厚度較薄的（約0.125–0.25 mm厚）薄板或平行纖維帶，預(yù)先浸漬了尚未固化的樹脂。這種材料非常適合在機(jī)身結(jié)構(gòu)中廣泛使用的薄板的制造。制造商使用鋪帶機(jī)將這種材料一層一層地鋪放，形成單件子部件。
通過在不同方向鋪設(shè)連續(xù)的鋪層，可以調(diào)整構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，從而以最小的重量獲得足夠的結(jié)構(gòu)性能。現(xiàn)代的膠帶鋪帶機(jī)可以將整個(gè)機(jī)翼蒙皮制作成一個(gè)整體，消除了金屬設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的緊固件，從而節(jié)省了制造成本，并進(jìn)一步減輕了整體重量。為了完成制造過程，組件在高壓釜中固化，然后在高溫下對(duì)組件施加壓力，以將鋪層固結(jié)并硬化成碳/環(huán)氧樹脂層壓板的整體。
為了從CFRP的使用中獲得最大利益，必須將纖維導(dǎo)至主應(yīng)力方向。例如，飛機(jī)的機(jī)翼在起飛、著陸和飛行過程中會(huì)彎曲，這意味著機(jī)翼在整個(gè)翼展上都會(huì)受到應(yīng)力的影響。為了支持這一點(diǎn)，工程師將高達(dá)60%的纖維沿著機(jī)翼蒙皮和翼展內(nèi)部加強(qiáng)筋進(jìn)行定向。此外，機(jī)翼蒙皮會(huì)受到平行應(yīng)力（稱為剪應(yīng)力）的影響，為了克服這一點(diǎn)，機(jī)翼蒙皮的方向?yàn)?5°。機(jī)翼內(nèi)部的部件，如設(shè)計(jì)用于承受剪切應(yīng)力的翼梁和肋，由高達(dá)80%的45°層組成。這樣，鋪設(shè)層的方向確保材料體積和重量保持在與足夠強(qiáng)度一致的最小值。
從對(duì)結(jié)構(gòu)工程師工作的影響來看，CFRP的出現(xiàn)已經(jīng)帶來相當(dāng)大的影響，他們現(xiàn)在可以有效地選擇所用材料的剛度特性。更進(jìn)一步的是，工程師們還與空氣動(dòng)力學(xué)專家合作，探索“氣動(dòng)彈性剪裁”。飛機(jī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)要知道機(jī)翼的形狀會(huì)影響升力和載荷分布，但升力和載荷分布也會(huì)改變機(jī)翼的形狀。通過采用氣動(dòng)彈性剪裁，結(jié)構(gòu)工程師可以生成機(jī)翼設(shè)計(jì)，使其在荷載增加時(shí)發(fā)生撓曲，從而減輕內(nèi)部荷載的增加。CFRP特別適合這種類型的設(shè)計(jì)，因?yàn)橥ㄟ^在特定方向上定向纖維，可以修改層合板的剛度特性，以精確地響應(yīng)所需的增加的載荷。
上述有關(guān)CFRP的描述可能會(huì)讓人質(zhì)疑，因?yàn)檫@一切是否都太好，以至于不可能是真的：這種神奇的材料難道沒有一些致命的弱點(diǎn)嗎？事實(shí)上，要實(shí)現(xiàn)標(biāo)題數(shù)字所承諾的低重量和低成本仍然存在若干障礙。工程師們正在通過改進(jìn)設(shè)計(jì)和新穎的制造工藝逐步克服困難，但目前的發(fā)展?fàn)顩r是，所有學(xué)科的工程師都在尋找最佳答案。
結(jié)構(gòu)工程師面臨著損傷容限和分層的擔(dān)憂，但與金屬相比，他們還必須應(yīng)對(duì)新材料耐受性較差的問題。金屬具有良好的可塑性：在高負(fù)荷下，它們?cè)跀嗔亚敖?jīng)歷永久變形（即彎曲或拉伸）。因此，金屬結(jié)構(gòu)可以吸收日常的小沖擊（導(dǎo)致凹痕），其基本強(qiáng)度幾乎沒有降低。可塑性可將高應(yīng)力區(qū)域的載荷重新分配到較低應(yīng)力區(qū)域，確保設(shè)計(jì)中固有的任何應(yīng)力集中不會(huì)導(dǎo)致過早的結(jié)構(gòu)破壞。相比之下，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料幾乎沒有塑性。
因此，在使用中較小的撞擊往往會(huì)造成環(huán)氧樹脂基體的局部破裂，進(jìn)而導(dǎo)致沖擊區(qū)域的層壓板減弱。此外，復(fù)合材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)力集中會(huì)在高載荷下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)突然失效。對(duì)于類似的金屬設(shè)計(jì)，由于載荷會(huì)重新分配，該過程將是漸進(jìn)的，因?yàn)榻饘倏芍匦路峙湄?fù)載。結(jié)構(gòu)工程師通過在設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)應(yīng)力值比理論上設(shè)計(jì)時(shí)所需的理論值要低得多來克服這種損傷容限的問題，并且他們不得不接受強(qiáng)度計(jì)算復(fù)雜性的增加，以適應(yīng)高荷載下CFRP更大的靈敏度。
繼空客率先推出A380以及波音787中復(fù)合材料用量達(dá)到50%后，目前的一些大型飛機(jī)開發(fā)計(jì)劃正尋求在機(jī)翼和機(jī)身內(nèi)更廣泛地使用復(fù)合材料。波音787這種革命性的飛機(jī)在制造大型無接縫機(jī)身部分時(shí)，采用了一種新型的“纏繞復(fù)合層”工藝，就像纏繞棉線盤一樣。
與此同時(shí)，下一代軍用空運(yùn)飛機(jī)空客A400M也同樣擁有碳纖維復(fù)合材料制成的機(jī)翼。這種飛機(jī)被設(shè)計(jì)用來承受沙漠和田野等非正規(guī)著陸帶帶來的嚴(yán)重載荷，并且得益于碳纖維復(fù)合材料優(yōu)越的抗疲勞性能。
空客A400M作為下一代軍用空運(yùn)飛機(jī)，其機(jī)翼由碳纖維復(fù)合材料制成，而CFRP的應(yīng)用使得飛機(jī)設(shè)計(jì)中材料的總強(qiáng)度重量比可以提高20%
除這些飛機(jī)外，下一代單通道客機(jī)將在其機(jī)身結(jié)構(gòu)中廣泛采用碳纖維復(fù)合材料，這種客機(jī)在全球機(jī)隊(duì)中隨處可見，其有效載荷為100-180名乘客，飛行里程為1000-3000海里。
研究指出，全球溫室氣體排放量的1.6%來自航空業(yè)，但航空旅行的需求將隨著我們的收入而增加。為了應(yīng)對(duì)航空業(yè)對(duì)環(huán)境造成的威脅，歐洲航空研究咨詢委員會(huì)于2002年制定了到2020年將飛機(jī)排放的二氧化碳減少50%的目標(biāo)。
通過廣泛使用碳纖維復(fù)合材料來減輕機(jī)身重量，只是為了達(dá)到這樣一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)而必須采用的一系列技術(shù)之一。為了應(yīng)對(duì)復(fù)合材料的廣泛使用所帶來的挑戰(zhàn)，英國民用航空航天界發(fā)起了下一代復(fù)合材料機(jī)翼（NGCW）研究計(jì)劃。航空業(yè)所面臨的環(huán)境障礙，或許是航空業(yè)100年歷史上所面臨的最大障礙，采用CFRP是航空業(yè)克服這一障礙計(jì)劃的一個(gè)方面。NGCW計(jì)劃將使英國航空工業(yè)處于這些非常有前途的材料智能應(yīng)用的前沿。
主要文獻(xiàn)來源：Space Applications of Composite Materials
聯(lián)系客服
